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2022-03-04 23:10 |
南京大學(xué)在片上集成光學(xué)非互易領(lǐng)域取得重要進展
從麥克斯韋方程出發(fā)導(dǎo)出的洛倫茲互易定理是電磁系統(tǒng)普遍遵從的基本物理規(guī)律。該定理指出了電磁波傳播的時間反演對稱性或者可逆性，即電磁波在普通線性介質(zhì)中傳播的路徑是可逆的。研究非互易性不僅具有基礎(chǔ)科學(xué)意義，還具有廣泛應(yīng)用價值�；诜腔ヒ仔缘墓鈱W(xué)器件，比如光隔離器和光環(huán)形器，只允許光單向通過，隔離背向散射光，不僅被應(yīng)用于激光防護、光通信和光信息處理，還是很多非傳統(tǒng)量子計算、量子測量和量子網(wǎng)絡(luò)等特殊量子信息處理協(xié)議中不可或缺的功能單元。 w=LP"bqlI
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雖然基于磁光效應(yīng)的塊狀光學(xué)非互易器件在各領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，但是如何實現(xiàn)芯片集成的全光非互易器件仍然是一個挑戰(zhàn)。缺少可在芯片上集成的光隔離器和環(huán)形器是限制光子芯片集成度的主要因素之一，也限制了激光雷達和激光陀螺儀的集成化。片上集成光學(xué)非互易器件對集成光量子信息處理也至關(guān)重要, 夏可宇課題組與國際合作者理論提出片上集成的全光控制的光隔離方法和非互易光子晶體管。 8<.C3m
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該項成果創(chuàng)新性地提出一種利用單向壓縮腔模誘導(dǎo)光學(xué)非互易的理論方案。圖1所示光學(xué)非互易系統(tǒng)由兩個鈮酸鋰基非線性環(huán)形微腔和兩根耦合波導(dǎo)組成。泵浦光從端口3入射，在滿足相位匹配條件下，RB腔內(nèi)發(fā)生非線性參量下轉(zhuǎn)換產(chǎn)生逆時針的壓縮腔模，但是順時針模式仍為普通腔模。正向信號光在RA腔中形成順時針普通腔模，與RB腔內(nèi)的逆時針壓縮腔模耦合。但是對于反向信號光，系統(tǒng)中兩個普通腔模耦合。信號光正向與反向入射情況相比，普通腔模與壓縮腔模耦合強度大于兩個普通腔模的耦合，強耦合相比弱耦合形成模式劈裂，如圖2(a)所示。并且等效壓縮腔模頻率小于普通腔模頻率，產(chǎn)生模式頻率漂移，如圖2(b)所示。由此引起的光學(xué)非互易可以實現(xiàn)隔離度大于40 dB的光隔離和保真度大于98%的三端口準(zhǔn)環(huán)形器。如果再向腔內(nèi)注入與壓縮腔模匹配的壓縮真空場，泵浦引入的噪聲將被消除，從而實現(xiàn)單光子隔離器和環(huán)形器()。而且開關(guān)弱泵浦光可以控制正向強信號光從端口1到2傳輸?shù)耐〝啵遣荒芸刂品聪蛐盘柟�。這樣提出的方案可以實現(xiàn)控制增益G大于1的非互易光子晶體管。本工作報道的全光控制的光學(xué)非互易器件，采用鈮酸鋰光學(xué)微腔，結(jié)構(gòu)簡單，可用于經(jīng)典相干光和單光子的非互易調(diào)控，為實現(xiàn)集成非互易量子信息處理開辟了新的途徑。 FDVcow*]
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